过程参数第四章温度测量热电阻非接触新

1、 第三节第三节 热电阻测温热电阻测温 工业上广泛应用电阻温度计来测量工业上广泛应用电阻温度计来测量200200 500 500 之间的温度。之间的温度。 特点特点: :准确度高；在中低温下（准确度高；在中低温下（ 500500以下）测温以下）测温, , 它它的输出信号比热电偶的要大得多的输出信号比热电偶的要大得多, ,故灵敏度高；电阻温故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。切换测量。 组成组成: :由热电阻、显示仪表由热电阻、显示仪表 和连接导线组成，热电阻由和连接导线组成，热电阻由 电阻体、绝缘套管和保护套

2、电阻体、绝缘套管和保护套 管等主要部件组成。管等主要部件组成。 一、测温原理一、测温原理 根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。热电阻两种。 实验证明，大多数金属导体当温度升高实验证明，大多数金属导体当温度升高11时，时，其阻值要增加其阻值要增加0.40.40.60.6，半导体的阻值要减小，半导体的阻值要减小3 36 6。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。 并不是任何材料都选用来制作热电阻。对制

3、作热并不是任何材料都选用来制作热电阻。对制作热电阻的材料有很多要求电阻的材料有很多要求, ,其中有一点是选用的材料的电阻其中有一点是选用的材料的电阻温度系数要大。温度系数要大。 电阻温度系数的定义是：电阻温度系数的定义是：温度变化温度变化ll时电阻值的时电阻值的相对变化量，用相对变化量，用来表示，单位是来表示，单位是-1-1，根据定义，根据定义，用下式表示：用下式表示： 一般材料的温度系数一般材料的温度系数并非常数，在不同的温度并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（下具有不同的数值。因此常用（r r100100r r0 0）（）（r r0 0100100）代表代表0 0100100

4、之间的平均温度系数，其中之间的平均温度系数，其中r r100100表示表示100100时的电阻值，时的电阻值，r r0 0表示表示00时的电阻值。时的电阻值。 为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系为什么要求制作热电阻的材料的电阻温度系数要大？数要大？dtdrrdtrdr1 二、标准化热电阻二、标准化热电阻 1 1、 铂电阻铂电阻 特点：特点：稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系；脆，并改变了电阻与温度间的关系； 纯度

5、要求：纯度要求：铂的纯度常以铂的纯度常以r r100100/r/r0 0来表示。对于工业用铂来表示。对于工业用铂电阻，规定其电阻，规定其r r100100/r/r0 0为为1.3851.385； 分度号：分度号：pt10pt10和和pt 100pt 100；（注意（注意1010和和100100的含义）的含义） 分度关系：分度关系：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在一在一20020000之间之间 r rt t=r=r0 0 1 + at + bt1 + at + bt2 2 + ct+ ct3 3(t-100) (t-100) 在在 0 0 850850之间之

6、间 r rt t=r=r0 0 (1 + at + bt(1 + at + bt2 2) ) 以上两式中以上两式中 r rt ttt时的电阻值；时的电阻值； r r0 000时的电阻值；时的电阻值； a a， b b， c c常数，对于工业用铂电阻，常数，对于工业用铂电阻，a a 3.90833.90831010-3 -3 -1-1， b-5.77510-7 -2 , c= -4.18310-12 -4 2 2、铜电阻、铜电阻 特点：特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格它的电阻温度系数也比较大，而

7、且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一5050 150150。铜电阻的缺点是：在。铜电阻的缺点是：在250250以上容易氧以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率阻率比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。很小。 纯度：纯度：我国规定工业用铜电阻的我国规定工业用铜电阻的r r100100/r/r0 01.42

8、81.428。 分度号：分度号：铜电阻的分度号是铜电阻的分度号是cu50cu50和和cul00cul00，表示其，表示其r r0 0分分别为别为5050及及100100。 分度关系：分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：式表示： 式中式中 r rt ttt时的电阻值；时的电阻值； r r0 000时的电阻值时的电阻值 a a， b b， c c常数，对于工业用铜电阻，常数，对于工业用铜电阻， 4.28010-3 -1, , 9.319.311010-8 -8 -2 -2 ， 1.231.231010-9 -9 - -3 3 。 由于铜电阻的特

9、性在由于铜电阻的特性在 0 0100 100 之间基本上是线性之间基本上是线性的，所以在的，所以在 0 0 100100之间的温度特性可以用下式表示：之间的温度特性可以用下式表示： r rt t=r=r0 0 (1 + t(1 + t）式中式中 0 0 100100之间的温度系数，等于之间的温度系数，等于 4.28 4.28 1010- -3 3 -1 -1 。 )100()100(120tttttrrt 3 3、镍电阻、镍电阻 镍电阻的温度系数镍电阻的温度系数较大，因此其灵敏度比铂和较大，因此其灵敏度比铂和铜的高。当温度超过铜的高。当温度超过200200时，时，具有特异点，因此规具有特异点，

10、因此规定镍电阻的使用温度范围为一定镍电阻的使用温度范围为一 6060 180 180 。镍电。镍电阻的电阻比阻的电阻比r r100100/r/r0 01.6171.617。由于镍电阻的制造工艺较。由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难获得复杂，很难获得相同的镍丝，因此它的测量准确度相同的镍丝，因此它的测量准确度比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已规定它为标比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已规定它为标准化热电阻，但尚未制订出相应的标准分度表。它的准化热电阻，但尚未制订出相应的标准分度表。它的分度号有分度号有ni 100ni 100，ni 300ni 300，ni 500ni 500。 对对ni 10

11、0ni 100而言，它的温度特性为而言，它的温度特性为 r rt t=100 + at + bt=100 + at + bt2 2 +ct+ct4 4 式中：式中：a a，b b，c c为常数，对于为常数，对于r r100100/r/r0 0 1.6181.618的镍电阻，的镍电阻， a a 0.54850.5485-1-1； b b 0.6650.6651010-3 -3 -1-1；c c 2.8052.8051010-9-9-4-4 。三、半导体热敏电阻三、半导体热敏电阻 测温范围：一测温范围：一100100 300300 材料：金属氧化物以一定比例混合材料：金属氧化物以一定比例混合 分类

12、：分类：ntcntc、ptcptc、ctrctr 结构：珠形、圆片形和棒型结构：珠形、圆片形和棒型 ntcntc的电阻温度特性的电阻温度特性 : r: rt t=ae=aeb/tb/t 优点（与金属测温电阻相比）优点（与金属测温电阻相比）四、工业用热电阻的结构四、工业用热电阻的结构 由热电阻体、引出线、绝缘骨由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同。功能、要求和热电偶基本相同。 1 1、绝缘骨架、绝缘骨架 绝缘骨架是用以缠绕、支撑和绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固

13、定热电阻丝的支架。它的质量影固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术性能。响热电阻的技术性能。 2 2热电阻体热电阻体 3 3、引出线、引出线 （l l）两线制）两线制 （2 2）三线制三线制 （3 3）四线制）四线制 铂电阻体结构铂电阻体结构1-银引出线；银引出线；2-铂丝；铂丝；3-锯齿形云母骨架；锯齿形云母骨架；4-保护保护用云母片；用云母片；5-银绑带；银绑带；6-铜电阻横截面；铜电阻横截面；7-保护套保护套管；管；8-石英骨架石英骨架 铜电阻体结构铜电阻体结构1-线圈骨架；线圈骨架；2-铜热电铜热电阻丝；阻丝；3-补偿组；补偿组；4-铜铜引出线引出线半导体热敏电阻结构半导体热敏电

14、阻结构1-电阻体；电阻体；2-引出线；引出线；3-玻璃保护管；玻璃保护管；4-引出极；引出极；5-锡箔；锡箔；6-密封材料；密封材料；7-导体导体 （a）普通工业热电阻）普通工业热电阻 (b) 铠装热电阻铠装热电阻 1-接线盒；接线盒；2-接线柱；接线柱； 1-感温元件；感温元件；2-金属套管；金属套管； 3-接线座；接线座；4-保护套管；保护套管； 3-金属导线金属导线; 4-绝缘材料；绝缘材料； 5-引出线；引出线；6-感温元件感温元件 5-接线盒接线盒 热电阻的结构示意图热电阻的结构示意图4 4、铠装热电阻、铠装热电阻 铠装热电阻是将热电阻体铠装热电阻是将热电阻体（感温元件）焊到由金属保

15、护（感温元件）焊到由金属保护套管、绝缘材料和金属导线三套管、绝缘材料和金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形者经拉伸而成的细管导线上形成的，然后在外面再焊一段短成的，然后在外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头，其结构如图所最后焊上封头，其结构如图所示。示。热电阻的结构 5 5、膜式铂电阻、膜式铂电阻 为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了膜式铂电阻。膜式铂电阻。它分厚膜的与薄膜的两种。它分厚膜的与薄膜的两种。厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形厚膜铂电

16、阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以测成的。由于铂膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以测温响应时间很小，约为温响应时间很小，约为0.1s0.1s。薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是尺寸瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是尺寸更小，响应时间更短。更小，响应时间更短。 6 6、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器 采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻或电势）转变成

17、或电势）转变成4 420ma20ma的标准输出信号，其中与热电偶相配用的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还有冷端温度补偿性能。的集成电路还有冷端温度补偿性能。 有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（ 4 420ma20ma）与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（输出电流（4 420ma20ma）之间呈线性关系。）之间呈线性关系。 专用集成电路的体

18、积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接专用集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接线盒内。供电电压一般为直流线盒内。供电电压一般为直流24 v24 v，多采用二线制，即供电线也，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显就是输出信号线。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显示温度值。示温度值。 这种一体化温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。这种一体化温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。 五、热电阻阻值的测量方法及热电阻多路温度测量五、热电阻阻值的测量方法及热电阻多路温度测量通道通道 对于热电阻阻值的测量对于热电阻阻值的测量, ,在实

19、验室常用手动电位差在实验室常用手动电位差计和手动平衡电桥计和手动平衡电桥, ,在工业上常采用不平衡电桥和自动平在工业上常采用不平衡电桥和自动平衡电桥。衡电桥。任何测量电阻的方法，都应注意：任何测量电阻的方法，都应注意：（1 1）通过热电阻的电流不能超过允许值；）通过热电阻的电流不能超过允许值；（2 2）连接导线的阻值要固定；）连接导线的阻值要固定；（3 3）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响）连接导线的接线方式要尽量能消除环境温度的影响（采用三线制和四线制接线方式）（采用三线制和四线制接线方式） 下面主要介绍电桥测量法。下面主要介绍电桥测量法。1 1、用手动、用手动平衡电桥测电阻平衡

20、电桥测电阻四线制平衡电桥测量线路四线制平衡电桥测量线路 2 2、用自动平衡电桥测电阻、用自动平衡电桥测电阻自动平衡电桥的测量桥路自动平衡电桥的测量桥路 3 3、用不平衡电桥测电阻、用不平衡电桥测电阻配热电阻的动圈表配热电阻的动圈表xcz-102xcz-102热电阻的两线制接法示意热电阻的两线制接法示意 热电阻引线的三线制接法示意热电阻引线的三线制接法示意 恒流驱动四线制多路测温恒流驱动四线制多路测温 恒流驱动三线制多路测温恒流驱动三线制多路测温 三线制热电阻电桥多路测量电路三线制热电阻电桥多路测量电路 两线制热电阻电桥多路测量电路两线制热电阻电桥多路测量电路 热电阻温度计的应用热电阻温度计的应

21、用 热电阻的误差分析热电阻的误差分析 （1）动态误差 （2）连线电阻变化引起测量误差 （3）热电阻通电发热引起误差 （4）机械力带来的误差 （5）氧化带来的误差 (6) 淬火效应的误差 六、热电阻的校验六、热电阻的校验工业热电阻的校验采用比较法。工业热电阻的校验采用比较法。第四节第四节 测温实例测温实例 采用接触式测温方法测量温度时，温度计指示的温采用接触式测温方法测量温度时，温度计指示的温度只是感温元件本身的温度。若要使测温仪表的感温度只是感温元件本身的温度。若要使测温仪表的感温元件输出反映被测温度，需满足以下条件：元件输出反映被测温度，需满足以下条件： （1 1）温度计和被测对象组成孤立的

22、热平衡系统；）温度计和被测对象组成孤立的热平衡系统； （2 2）温度计的热容和热阻为零。）温度计的热容和热阻为零。 但实际测温中，温度计除与被测对象进行热交换但实际测温中，温度计除与被测对象进行热交换外，还要与周围环境交换热量；再有温度计的热容和外，还要与周围环境交换热量；再有温度计的热容和热阻也不可能为零。各种因素的影响使得温度计的输热阻也不可能为零。各种因素的影响使得温度计的输出与被测真实温度不同，有时两者的差别很大。单靠出与被测真实温度不同，有时两者的差别很大。单靠提高测温仪表的准确度是不能减小此偏差的，只有通提高测温仪表的准确度是不能减小此偏差的，只有通过分析测温对象，选择合理的测温技

23、术，才有可能获过分析测温对象，选择合理的测温技术，才有可能获得准确的温度值。得准确的温度值。 一、一、 管内流体温度的测量管内流体温度的测量其中其中 、式中式中 、 管内外介质对测温管之间的放热系数；管内外介质对测温管之间的放热系数； 、 管内外两段测温管的热导率，管内外两段测温管的热导率， = = 、 、 两段测温管的截面周长，两段测温管的截面周长， = = 、 管道内、外两段测温管的截面积，管道内、外两段测温管的截面积， = = 、 管道内外测温管的长度。管道内外测温管的长度。 1 1111vbf2 2222vbf1212121f2f1f2f1l2l1v2v1l2l2l1l 要想减小这个误

24、差，需要减小分子项，增大分母项，要想减小这个误差，需要减小分子项，增大分母项，现在我们来讨论一下误差公式。现在我们来讨论一下误差公式。 (1)(1) 为管道当中流体与管外介质的温差，为了减小这个为管道当中流体与管外介质的温差，为了减小这个误差应该把露在管道外侧的测温管用保温材料包起来，误差应该把露在管道外侧的测温管用保温材料包起来，使得测温管露出部分的温度提高，减小热电偶对外导热使得测温管露出部分的温度提高，减小热电偶对外导热损失。损失。 (2)(2) 和和 要使要使 和和 增大，必定有增大，必定有 增大。增大。(3)(3) 必有必有 0310()()tttt11()ch b l1110()(

25、)th b ltt)()(0122ttlbcth03()tt11()ch b l11()th b l11b l)(22lbcth22b l 对管内流体温度进行测量时温度计的安装通常要考虑对管内流体温度进行测量时温度计的安装通常要考虑以下几点：以下几点：1. 1. 测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域；测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域；2. 2. 要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于管道中心流速最大处。对于直径大的管道，测温元件可垂管道中心流速最大处。对于直径大的管道，测温元件可垂直插入；为增加插入深

26、度，可迎着流体流动的方向斜向插直插入；为增加插入深度，可迎着流体流动的方向斜向插入测温元件；对于内径较小的管道，测温元件可插入弯头入测温元件；对于内径较小的管道，测温元件可插入弯头处或加装扩大管。图给出了几种常见的测温元件安装方式。处或加装扩大管。图给出了几种常见的测温元件安装方式。（a a）垂直安装）垂直安装 （b b）倾斜安装（）倾斜安装（c c）弯管处安装）弯管处安装 （d d）扩大管安装）扩大管安装 3. 3. 对于高温管道，在测点引出处要加保温材料隔热，以减小对于高温管道，在测点引出处要加保温材料隔热，以减小热损失带来的测量误差。热损失带来的测量误差。 各种测温管装置方案的测量误差比

27、较各种测温管装置方案的测量误差比较 温度计安装在蒸汽管道不同位置上测温的情况。该温度计安装在蒸汽管道不同位置上测温的情况。该管道内径是管道内径是100100毫米，汽压毫米，汽压3mpa3mpa，汽温为，汽温为386386，流速为，流速为30303535米秒。米秒。 热套式热电偶热套式热电偶1-1-热套式热电偶；热套式热电偶；2-2-充满介质的热套；充满介质的热套；3-3-保温层；保温层；4-4-安装插座安装插座二、二、 壁面温度测量壁面温度测量采用热电偶来测量固体表面温度采用热电偶来测量固体表面温度（a a）点接触）点接触 （2 2）面接触）面接触 （3 3）等温线接触）等温线接触 （4 4）

28、分立接触）分立接触测量误差不仅仅与热电偶测量端的接触形式有关，而且测量误差不仅仅与热电偶测量端的接触形式有关，而且与被测面的导热能力有关，如被测固体表面为玻璃、陶与被测面的导热能力有关，如被测固体表面为玻璃、陶瓷等，它们的导热性能差，这时采用（瓷等，它们的导热性能差，这时采用（a a）接触形式，）接触形式，则误差很大，而采用（则误差很大，而采用（b b）接触形式则误差大大减小，）接触形式则误差大大减小，这是因为金属片导热性能好，当金属片有比较大的面积这是因为金属片导热性能好，当金属片有比较大的面积时，导走相同的热量所需要的温度差会大大减小，使热时，导走相同的热量所需要的温度差会大大减小，使热电

29、偶测量端温度不致降低太多。电偶测量端温度不致降低太多。如果热电极的直径粗，则散失热量多，测量端温度改变如果热电极的直径粗，则散失热量多，测量端温度改变就大；直径细，向外散失热量少，测量端温度改变就小。就大；直径细，向外散失热量少，测量端温度改变就小。如果壁面上方气流的速度增大，则热电极散失热量就多，如果壁面上方气流的速度增大，则热电极散失热量就多，测量端温度改变就大；反之，也就小些。当测量管壁表测量端温度改变就大；反之，也就小些。当测量管壁表面温度时，管壁厚度增加，则温度误差就小，这是由于面温度时，管壁厚度增加，则温度误差就小，这是由于热电极向外导走热量，很快就由管壁的其他部分补充了，热电极向

30、外导走热量，很快就由管壁的其他部分补充了，因而测温误差就减小。因而测温误差就减小。 测量壁面温度时要优先考虑以下情况测量壁面温度时要优先考虑以下情况:在强度允许的条件下，尽量采用直径小、导热系数低的热电偶；在强度允许的条件下，尽量采用直径小、导热系数低的热电偶；优先考虑等温线敷设；优先考虑等温线敷设；被测材料为非良导热体，可用面接触方式；被测材料为非良导热体，可用面接触方式；如被测材料允许，表面开槽敷设对提高测量精度更为有利。如被测材料允许，表面开槽敷设对提高测量精度更为有利。 三、三、 高温气体温度测量高温气体温度测量减小误差的方式减小误差的方式（1 1）加防辐射隔离罩；）加防辐射隔离罩；（

31、2 2）减小测温管的总辐射发射率；）减小测温管的总辐射发射率；（3 3）采用双热电偶测温，通过计算消除误差；）采用双热电偶测温，通过计算消除误差；（4 4）采用抽气热电偶。）采用抽气热电偶。 第四章第四章 非接触式温度检测及仪表非接触式温度检测及仪表 非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。 特点：特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；不存在因接触传热而产生的测温传热误差

32、；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达高达20002000以上；动态性能好，反应快等以上；动态性能好，反应快等, ,可测运动可测运动物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测射式仪表多用来测700700以上的高温。但用红外测量以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达仪表，也可测低达100100左右的温度。左右的温度。一、辐射测温的基本原理一、辐射测温的基本原理 1.1.准备知识准备知识 辐射辐射 热辐射热辐射 辐射出射度辐射出射度 指物体单位表面积在单位时间内所发射指物

33、体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号m m表示。表示。 光谱辐射出射度光谱辐射出射度 物体单位表面积单位时间内在波长物体单位表面积单位时间内在波长处的处的dd波段内所辐射的能量为波段内所辐射的能量为dmdm，则把，则把 称为称为 物体在波长物体在波长处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。度）。 黑体、白体、透体、黑度（发射率）黑体、白体、透体、黑度（发射率） 辐射温度探测器所能接收的热辐射波段约为辐射温度探测器所能接收的热辐射波段约为0.30.34040m m，属于可见光和红外线的

34、波长范围。，属于可见光和红外线的波长范围。 mmdd 辐射出射度辐射出射度m m与光谱辐射出射度与光谱辐射出射度m m之间存在如下之间存在如下关系：关系： 2.2.热辐射的基本定律热辐射的基本定律(1)(1)普朗克公式定律普朗克公式定律 普朗克定律给出了普朗克定律给出了全辐射体全辐射体的光谱辐射出射度的光谱辐射出射度与温度的关系，这是光学高温计和光电高温计等的理与温度的关系，这是光学高温计和光电高温计等的理论基础。论基础。151012tcecm0dmm 在温度在温度t t3000k3000k和可见光波长（波长和可见光波长（波长较小）范围，较小）范围，该公式可以简化成维恩公式该公式可以简化成维恩

35、公式 对实际物体对实际物体 式中式中 m m实际物体的光谱辐射出射度；实际物体的光谱辐射出射度； 实际物体在波长实际物体在波长下的光谱发射率（光谱黑下的光谱发射率（光谱黑度）。度）。 tcecm2510tcecm251（2 2）斯忒藩一玻尔兹曼定律）斯忒藩一玻尔兹曼定律 可见，全辐射体的辐射出射度可见，全辐射体的辐射出射度m m0 0 是温度的单值函数，是温度的单值函数，二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。 实际物体的全辐射出射度为实际物体的全辐射出射度为 m mmm0 0tt4 4 式中式中 m m实际物体的全辐射出射度；实际物体的全辐射出射度；

36、实际物体的全辐射发射率（发射率）。实际物体的全辐射发射率（发射率）。 实际物体的光谱发射率实际物体的光谱发射率和发射率和发射率均小于均小于1 1，各，各种物体的种物体的和和值一般只能通过实测求得。值一般只能通过实测求得。 0400tdmm 3. 3. 辐射测温的常用方法辐射测温的常用方法 辐射测温一般有下面三种方法：辐射测温一般有下面三种方法： （1 1）亮度测温）亮度测温 它是通过测量目标在某一波段的辐射亮度来获得目标的温度。它是通过测量目标在某一波段的辐射亮度来获得目标的温度。按这种方法工作的测温仪表称为亮度测温仪，它所测出的温度是按这种方法工作的测温仪表称为亮度测温仪，它所测出的温度是目

37、标的亮度温度。目标的亮度温度。 （2 2）全辐射测温）全辐射测温 它是通过测量物体发出的全辐射能量（它是通过测量物体发出的全辐射能量（=0=0）来测量物体）来测量物体的温度。按这种方法工作的测温仪表称为辐射测温仪，它所测出的温度。按这种方法工作的测温仪表称为辐射测温仪，它所测出的是目标的辐射温度，在数值上它完全遵从斯忒藩的是目标的辐射温度，在数值上它完全遵从斯忒藩- -玻耳兹曼定玻耳兹曼定律的四次方关系。律的四次方关系。 （3 3）比色测温）比色测温 所谓比色测温，就是利用两组（或多组）带宽很窄的不同单所谓比色测温，就是利用两组（或多组）带宽很窄的不同单色滤光片，搜集两个（或多个）相近波段内的

38、辐射能量，转换成色滤光片，搜集两个（或多个）相近波段内的辐射能量，转换成电信号后在电路上进行比较，由此比值确定目标温度。按这种方电信号后在电路上进行比较，由此比值确定目标温度。按这种方法工作的测温仪表称为比色测温仪，它所测出的是目标的比色温法工作的测温仪表称为比色测温仪，它所测出的是目标的比色温度。度。 二、光学高温计二、光学高温计 1. 1. 理论依据：理论依据：普朗克定律。普朗克定律。 在可见光的波长范围（在可见光的波长范围（0.350.350.75m0.75m）内，）内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射的高温物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。在

39、某一波长强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同一波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系为为 对实际物体有对实际物体有0001mcmltcecml21511 结论：在可见光波长范围内的某一波长下，对一个确定的结论：在可见光波长范围内的某一波长下，对一个确定的物体（可近似认为已固定不变），其光谱辐射亮度（即单物体（可近似认为已固定不变），其光谱辐射亮度（即单色亮度）与温度之间存在单值对应关系。利用这个性质即色亮度）与温度之间存在单值对应关系。利用这个性质即可测温。可测

40、温。 但直接测光谱辐射亮度较难实现，光学高温计采用了但直接测光谱辐射亮度较难实现，光学高温计采用了的亮度比较的方法。的亮度比较的方法。 2. 2. 结构结构 国产国产wgg2wgg2型光学高温计是一种使用较广的隐丝式光学型光学高温计是一种使用较广的隐丝式光学高温计。高温计。 由光学系统与电气系统两部分组成。由光学系统与电气系统两部分组成。 光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸收玻璃等。收玻璃等。 电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。 l l一物镜；一物镜；2 2灰色吸收玻璃；灰色吸收

41、玻璃；3 3一灯泡；一灯泡；4 4一目镜；一目镜； 5 5一红色滤光片；一红色滤光片；6 6一显示仪表一显示仪表思考：红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？思考：红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？ 光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比较。光学高温计采用红色滤光片与人眼构成了较。光学高温计采用红色滤光片与人眼构成了“单色单色器器”，使人眼只能观察到波长为，使人眼只能观察到波长为0.60.60.7m0.7m范围的红色范围的红色可见光（如图阴影部分），其平均波长约为可见光（如图阴影部分），其平均波长约为0 .66m0 .66m。人眼与红色滤光片

42、配合的视见光谱范围人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围 1 1一人眼相对视见函数曲线一人眼相对视见函数曲线； 2 2一红色滤光片光谱透过率曲线一红色滤光片光谱透过率曲线 灰色吸收玻璃的作用：灰色吸收玻璃的作用： 光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达14001400时，时，钨丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温钨丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温计的测温上限。计的测温上限。 光学高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻光学高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱。璃时其吸收作用会使亮度减弱。 在结构上把

43、灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度亮度, ,在灯丝温度不超过在灯丝温度不超过14001400的情况下能测量更高的温的情况下能测量更高的温度。度。 灯丝与物像亮度比灯丝与物像亮度比（a a）灯丝亮度低（）灯丝亮度低（b b）灯丝亮度偏高（）灯丝亮度偏高（c c）灯丝和物象亮度一）灯丝和物象亮度一致（灯丝隐灭）致（灯丝隐灭） 光学高温计的优点：光学高温计的优点：结构简单、测温上限高、结构简单、测温上限高、在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。

44、在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。 缺点：缺点：亮度比较的判断及调整均要人工进行，亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了被测物另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于体的温度不能低于700700。3.3.光学高温计的几个有关问题光学高温计的几个有关问题 : : (1(1）亮度温度与示值的修正）亮度温度与示值的修正 “亮度温度亮度温度”的概念：如全辐射体的单色亮度与温度为的概念：如全辐射体的单色亮度与温度为t t的实际物体的单色亮度相等，则全

45、辐射体的温度称为该实的实际物体的单色亮度相等，则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以际物体的亮度温度，并以t ts s表示。根据亮度温度的定义，表示。根据亮度温度的定义，可推导物体实际温度可推导物体实际温度t t与其亮度温度的关系：与其亮度温度的关系：由于由于 l l= l= l00即即 经整理可得经整理可得 因为一般物体因为一般物体1 1，所以，所以 t tt ts s 。 22lncttctssstctcecec22515111 光学高温计的标尺是直接按温度刻度的，即可直接光学高温计的标尺是直接按温度刻度的，即可直接读出温度值，而且分度是按全辐射体（即读出温度值，而且分度是按全辐射

46、体（即 =1=1）的条件）的条件进行的，因此仪表显示的温度值实际上是在对应亮度下全进行的，因此仪表显示的温度值实际上是在对应亮度下全辐射体的温度，也即亮度温度辐射体的温度，也即亮度温度t ts s 。在测实际物体温度时，。在测实际物体温度时，光学高温计的温度示值必须修正光学高温计的温度示值必须修正. . （2 2）影响光学高温计测量精确度的因素）影响光学高温计测量精确度的因素 影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以下几个：下几个： 1 1）发射率）发射率的影响的影响 2 2）中间介质的影响）中间介质的影响 光学高温计三、光电高温计三、光电高

47、温计 光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。这里介绍的国产这里介绍的国产wdlwdl一一3131型光电高温计，其原理系统图如图型光电高温计，其原理系统图如图所示。所示。 光电高温计具有以下优点。光电高温计具有以下优点。 （l l）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用辐射法测低温；辐射法测低温； （2 2）分辨率高，光学高温计最高为）分辨率高，光学高温计最高为0.50.5，而光电高温计，而光电高温计可达可达0.010.010.050.05； （3 3）精确度高，由于采用性能良好

48、的干涉滤光片（或单色）精确度高，由于采用性能良好的干涉滤光片（或单色器），提高了仪表的单色性，因而不确定度减小。例如，器），提高了仪表的单色性，因而不确定度减小。例如，20002000时的不确定度可小到土时的不确定度可小到土0.250.25； （4 4）可连续自动测量，响应快。）可连续自动测量，响应快。光电高温计的工作原理光电高温计的工作原理 1-物镜；物镜；2-孔径；孔径；3，5-孔；孔；4-光电器件；光电器件； 6-遮光板；遮光板；7-调制片；调制片；8-永久磁铁；永久磁铁；9-激磁绕组；激磁绕组；10-透镜；透镜；11-反射镜；反射镜；12-观察孔；观察孔；13-前置放大器；前置放大器；

49、14-主放大器；主放大器；15-反馈灯；反馈灯；16-电位差计；电位差计；17-被测被测物体物体四、辐射高温计四、辐射高温计 1.1.原理：原理：物体的辐射出射度与其温度的关系为物体的辐射出射度与其温度的关系为 m = tm = t4 4 对确定的物体，可近似认为其发射率对确定的物体，可近似认为其发射率为定值，那么为定值，那么m m与与t t将呈单值对应关系，测出辐射出射度将呈单值对应关系，测出辐射出射度m m与其发射率与其发射率即即可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。 2.2.组成：组成：辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成，辐射高温计由辐射传感器和显

50、示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。前者辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。前者的作用是接收并聚集辐射能；后者把辐射能转换成相应的的作用是接收并聚集辐射能；后者把辐射能转换成相应的电信号以便由显示部分直接显示温度值。光学系统有透射电信号以便由显示部分直接显示温度值。光学系统有透射式、反射式和混合式几类。辐射变换器主要有热电式和光式、反射式和混合式几类。辐射变换器主要有热电式和光电式两种。电式两种。 辐射感温器的工作原理图 热电堆的结构1-透镜；2-可变光阑；3-固定光阑； 1-云母片；2-受热靶;4-接收元件面； 3-热电偶丝；4-引出线3.3.辐射高温计的几个

51、有关问题辐射高温计的几个有关问题 （1 1）“辐射温度辐射温度”的概念：的概念：若温度为若温度为t t的物体的辐的物体的辐射出射度与全辐射体在温度射出射度与全辐射体在温度t t0 0下的辐射出射度相等，则下的辐射出射度相等，则把全辐射体的温度把全辐射体的温度t tp p称为该物体的辐射温度。由此定义称为该物体的辐射温度。由此定义可求出被测温度可求出被测温度t t与辐射温度与辐射温度t tp p之间的关系：之间的关系：因因 tt4 4 =t=tp p4 4有有ptt41 仪表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的；仪表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的； 仪表的示值就是被测物体的辐射温度；仪表的

52、示值就是被测物体的辐射温度； 依据被测物体的发射率，利用上面的修正公式对示值依据被测物体的发射率，利用上面的修正公式对示值进行修正得到被测物体的实际温度。进行修正得到被测物体的实际温度。（2 2）影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：）影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下： 1 1）发射率）发射率的影响的影响 2 2）热电堆冷端温度的影响）热电堆冷端温度的影响 3 3）距离系数）距离系数l ld d的影响的影响 补偿光栏结构示意图补偿光栏结构示意图 1-1-光栏；光栏；2-2-双金属片；双金属片；3-3-铂箔铂箔四、比色高温计四、比色高温计1. 1. 原理原理 根据被测物体在两个不同波长下

53、的光谱辐射出射度根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。知被测温度。 根据光谱辐射的维恩公式，同一物体在波长分别为根据光谱辐射的维恩公式，同一物体在波长分别为1 1和和2 2下的光谱辐射出射度的比值为下的光谱辐射出射度的比值为式中式中 m m11、m m22分别为在波长分别为在波长1 1和和2 2下的光谱辐射出射度；下的光谱辐射出射度； 11 、22物体在波长物体在波长1 1和和2 2时的光谱发射率；时的光谱发射率； t t物体的温度。物体的温度。 tctcececmm22125

54、212511121121221122ln5ln)11(mmct1212211)11(lnctct 3.3. 以以wds-wds-型比色高温计为例，具体介绍比色高温计型比色高温计为例，具体介绍比色高温计的工作原理。的工作原理。 wdswds型光电比色高温计的光路系统型光电比色高温计的光路系统1 1一物镜一物镜 2 2一平行平面玻璃一平行平面玻璃 3 3一回零通孔硅光电池一回零通孔硅光电池 4 4一透镜一透镜 5 5一分光镜一分光镜 6 6一红外滤光片一红外滤光片7 7一硅光电池一硅光电池e e2 2 8 8一硅光电池一硅光电池e el l 9 9一可见光滤光片一可见光滤光片 1010一反一反射镜

55、射镜 1111一倒像镜一倒像镜 1212一目镜一目镜 4.4.特点特点 它的测量准确度高，中间介质的影响小，可在它的测量准确度高，中间介质的影响小，可在恶劣环境下工作。恶劣环境下工作。wdswdsiiii型光电比色高温计的工作原理型光电比色高温计的工作原理1-1-物镜；物镜；2-2-平行平面玻璃；平行平面玻璃； 3-3-回零通孔硅光电池；回零通孔硅光电池；4-4-透镜；透镜； 5-5-分光镜；分光镜； 6-6-红外滤光片；红外滤光片；7-7-硅光电池硅光电池e e2 2；8-8-硅光电池硅光电池e e1 1；9-9-可见光滤光片；可见光滤光片；10-10-反射镜；反射镜；11-11-倒像镜；倒

56、像镜；12-12-目镜目镜五、红外测温仪五、红外测温仪 红外测温仪是一种测温上限较低的仪表，可测红外测温仪是一种测温上限较低的仪表，可测0 0400400范围的温度。而前面介绍的几种辐射式测温仪表适范围的温度。而前面介绍的几种辐射式测温仪表适于测于测700700以上的高温。以上的高温。 红外测温仪依据的是光谱辐射原理。当物体温度较低红外测温仪依据的是光谱辐射原理。当物体温度较低时，光谱辐射出射度最高点向波长较长的红外线波长区迁时，光谱辐射出射度最高点向波长较长的红外线波长区迁移，红外测温仪就工作在这个红外线波长区。它的原理和移，红外测温仪就工作在这个红外线波长区。它的原理和结构与辐射高温计、光

57、电高温计相似。结构与辐射高温计、光电高温计相似。 红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号处理放大红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表等部分组成部分及显示仪表等部分组成。1.1.红外辐射及其特性红外辐射及其特性 红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在0.760.76m m到到10001000m m的频谱范围之内，相对应的频率大致在的频谱范围之内，相对应的频率大致在4 4101014143 310101111hzhz之间。之间。 2 2、红外

58、辐射源和红外探测器、红外辐射源和红外探测器（1 1）红外辐射源）红外辐射源 当物体温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空当物体温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源。间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源。 （2 2）红外探测器）红外探测器 红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量变化红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量变化的器件。分为的器件。分为红外热探测器红外热探测器和和红外光子探测器红外光子探测器 。 红外热探测器红外热探测器 热电偶型探测器热电偶型探测器 热敏电阻型探测器热敏电阻型探测器 热释电型探测器热释电型探测器 主

59、要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外辐射变化缓慢场合。辐射变化缓慢场合。 红外光子探测器红外光子探测器 光电导（光电导（pcpc）探测器）探测器 光生伏特（光生伏特（pupu）探测器）探测器 光磁电探测器（光磁电探测器（pempem器件）器件） 主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。 3. 3. 基本原理基本原理 以被

60、测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。工作时，首先把物体发射的红外辐射能量而制成的仪器。工作时，首先把物体发射的红外辐射能量搜集起来转换成电信号。然后，对电信号进行放大、处理，搜集起来转换成电信号。然后，对电信号进行放大、处理，并利用物体温度与其辐射功率大小（目前都表现为信号电并利用物体温度与其辐射功率大小（目前都表现为信号电压高低）的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。压高低）的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。 4.4.基本结构基本结构 包括光学系统、红外探测器、电信号放大及处理系统、包括光学系统、红外探测器、电信号放大